在役核電廠不銹鋼管道對接焊縫質(zhì)量控制

劉 超，佟 慶，李 海

（中廣核核電營運(yùn)有限公司，廣東深圳 518124）

0 引言

在役核電廠維修階段涉及到的大量不銹鋼管道焊縫，大部分為對接形式的焊縫，主要通過單面焊雙面成型的方式實施焊接。焊接方法一般采用手工鎢極氬弧焊進(jìn)行打底、填充及蓋面層的全氬弧焊接，部分厚壁管道也會使用手工焊條電弧焊進(jìn)行填充和蓋面焊，可提高焊接效率。由于受在役核電廠現(xiàn)場環(huán)境因素限制、不銹鋼管道本身的材料特性和焊接過程的特殊要求，焊接過程中經(jīng)常會出現(xiàn)諸如打底層焊縫背部發(fā)渣、根部焊縫錯邊、焊后管道變形嚴(yán)重等焊接質(zhì)量異常，導(dǎo)致焊后無損檢測不合格的情況。因此，需分析不銹鋼管道對接焊縫的焊接技術(shù)難點(diǎn)，制定有效的焊接質(zhì)量控制措施，保障核電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 不銹鋼管道對接焊縫的焊接技術(shù)難點(diǎn)

1.1 根部焊縫錯邊

不銹鋼管道在生產(chǎn)制造過程中規(guī)格尺寸上會存在一定的允許公差，在役核電廠機(jī)組的維修方案一般會將不銹鋼管道進(jìn)行切割后再重新實施回焊，有些甚至?xí)霈F(xiàn)多次反復(fù)切割焊接的情況，很大程度上增加了管道的變形量，導(dǎo)致焊口組對后極易出現(xiàn)錯邊異常，最終造成根部出現(xiàn)未焊透、未熔合等焊接缺陷，這在壁厚較薄的不銹鋼管道上尤其明顯（圖1）。

圖1 焊接缺陷

1.2 打底層焊縫背部發(fā)渣

不銹鋼管道對接焊縫形式主要以V形坡口為主，一般采用單面焊雙面成型的焊接方式?；诓讳P鋼材料的特點(diǎn)，背部充氬效果直接影響打底層的焊接質(zhì)量?，F(xiàn)場實際焊接過程中，經(jīng)常出現(xiàn)因系統(tǒng)管道內(nèi)存在風(fēng)、水、氬氣室安裝異常等原因?qū)е麓虻讓雍缚p背部發(fā)渣（圖2）。

圖2 充氬效果

1.3 焊接變形

不銹鋼具有較好的塑性和韌性，但因?qū)嵝圆睢⒕€膨脹系數(shù)大，焊縫周邊熱影響區(qū)域非常大，無限制條件下的焊接實施，會導(dǎo)致焊接過程中很容易出現(xiàn)應(yīng)力集中和焊接變形，降低管道設(shè)計承載能力（圖3）。

圖3 焊后收縮變形

2 不銹鋼管道對接焊縫的焊接技術(shù)要點(diǎn)

2.1 焊口組對需滿足標(biāo)準(zhǔn)要求

良好的焊口組對是消除根部焊縫錯邊的有效手段，對接焊縫的錯邊量分為外表面和內(nèi)表面兩部分，實際影響焊接操作的主要是管道內(nèi)表面錯邊量，因此組對時應(yīng)優(yōu)先對齊管道內(nèi)壁。如錯邊量超標(biāo)，可使用銼刀、打磨機(jī)或者通過機(jī)加工車床對管道內(nèi)壁進(jìn)行機(jī)械內(nèi)修，直至滿足組對要求。

核電廠在役維修對于核級管道的具體錯邊量標(biāo)準(zhǔn)需滿足RCC-M F4300的相關(guān)要求，即：內(nèi)表面的最大錯變量不應(yīng)超過e/20+1 mm（e為裝配件厚度），1級和2級設(shè)備的最大值為3 mm，3級設(shè)備的最大值為3.75 mm，外表面錯邊量應(yīng)當(dāng)滿足：厚度e＜12 mm，最大允許錯變量e/4 mm；厚度e≥12 mm，最大允許錯變量e/10+2 mm（最大8 mm），3級設(shè)備的最大值為10 mm。當(dāng)2個不同厚度零件在對接時，e取較薄零件的厚度。測量內(nèi)表面錯變量使用高低尺，外表面錯邊量則使用組合尺測量，選取4點(diǎn)對稱均勻測量。

圖4 焊口組對

2.2 建立合格的氬氣室

建立合格的氬氣室是防止不銹鋼管道打底層焊縫背部發(fā)渣的最有效方式。小口徑的管道氬氣室的建立較容易，而對于內(nèi)徑大于48 mm以上的不銹鋼管道，氬氣室的建立難度會隨著尺寸的增加越來越高。

氬氣室的大小與充氬時間的長短、充氬量的大小成正比。總體上充氬效果的好壞與氬氣純度的高低、氬氣室的安裝位置、進(jìn)氣口和排氣口的選擇、充氬速度的快慢及氬氣置換時間存在直接關(guān)系。

2.2.1 氬氣的選擇

不銹鋼管道焊接建立氬氣室的目的是通過氬氣對空氣進(jìn)行置換，從而降低焊接區(qū)域的氧含量。因此氬氣的質(zhì)量必須滿足使用需求，一般執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4842—2006《氬》相關(guān)規(guī)定，氬氣含量需≥99.99%。在役核電廠維修常用的是含量為99.999%的高純氬氣，有利于獲得更好的充氬和焊接效果。

2.2.2 安裝氬氣室

常見的氬氣室類型有堵板氬氣室、水溶紙氬氣室、氣球氬氣室、氣囊氬氣室等：現(xiàn)場主要采用堵板氬氣室；在因管線布置等導(dǎo)致無法安裝堵板的情況時會使用水溶紙氬氣室；氣球和氣囊氬氣室存在較大的異物引入風(fēng)險，只有在上述兩種氬氣室都無法實施的極端情況下才會偶爾用到，正常情況不推薦使用。

（1）堵板氬氣室。堵板采用耐高溫的橡膠或泡沫板，中間用不銹鋼板進(jìn)行加固，并將其用不銹鋼牽引繩連接后延至管道外部，便于焊接完成后將堵板取出。堵板一般安裝在距焊口兩側(cè)各200 mm處，具體可根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整，但需防止焊接溫度軟化和損壞堵板。由于氬氣密度大于空氣，進(jìn)氣口安裝在一側(cè)堵板的下方，并將充氬管出氣口設(shè)置在另一側(cè)堵板的上方，以利于空氣的排除。焊縫間隙用耐高溫膠帶進(jìn)行密封，為使焊接部位得到最佳的保護(hù)效果，焊接時可按需分段，逐步撕開密封膠帶（圖5）。

圖5 安裝堵板氬氣室

（2）水溶紙氬氣室。主要適用于管線路徑較長、彎頭及管線布置結(jié)構(gòu)復(fù)雜等充氬困難的水沖洗管線。需先找到可作為進(jìn)氣點(diǎn)的支管線充氬口，并關(guān)閉支管側(cè)主管道閥門。將水溶紙裁剪成圓形，直徑應(yīng)大于管道內(nèi)徑約60 mm。將其制作成一個略大于管道內(nèi)徑的邊緣鋸齒狀水溶紙圓盤。在水溶紙圓盤中心的偏上方開出一個小孔，作為排氣口。最后將水溶紙用水溶膠帶或者水溶膠水將其固定在管道內(nèi)部的另一側(cè)，建立氬氣室邊界（圖6）。

圖6 安裝水溶紙氬氣室

2.2.3 充氬進(jìn)行空氣置換

氬氣室安裝完成后即可進(jìn)行充氬，充氬流量的大小會直接影響焊接質(zhì)量，充氬流量過小，無法起到保護(hù)效果，造成焊縫背部氧化，充氬流量過大，會在管內(nèi)形成氣體紊流，空氣置換不徹底，并在打底焊接過程中對熔池有向外的推力，增加焊接難度。

以口徑6英寸（168.30 mm）不銹鋼管道為例，一般應(yīng)先用5～10 L/min的流量充氬15 min左右，焊接前加大充氬流量至15～20 L/min，打底層臨近封口時再將流量降至5～10 L/min。需要注意填充層焊接時，在基礎(chǔ)焊縫厚度小于4 mm的情況下仍需維持5～10 L/min的充氬流量，以防止因基礎(chǔ)焊縫厚度不足造成背部氧化。

2.2.4 驗證充氬效果

驗證充氬效果的方法主要有：

（1）在密封膠帶處撕開與焊接時同等大小的口子，靠近進(jìn)行點(diǎn)火試驗，如能正常點(diǎn)火說明氧含量過高，充氬效果不達(dá)標(biāo)。

（2）密封膠帶處撕開與焊接時同等大小的口子，使用厚度1 mm左右的不銹鋼薄板緊貼開口處進(jìn)行焊接驗證，根據(jù)焊接點(diǎn)背面顏色進(jìn)行判斷：呈銀白色、紫色、金黃色說明氬氣充足，若為黑色或呈氧化狀則表示充氬效果不達(dá)標(biāo)。

（3）使用測氧儀對氬氣室內(nèi)氧含量進(jìn)行檢測，當(dāng)氧含量＜2%為滿足要求。

2.3 控制焊接變形

在役核電廠維修控制焊接變形最常用的方法有：預(yù)留反變形余量，選擇合理的焊接順序，優(yōu)化焊道布置，控制焊接熱輸入。

2.3.1 預(yù)留反變形

以水平固定管道為例，組對時仰焊起弧位置預(yù)留間隙應(yīng)比平焊收弧位置預(yù)留間隙小2～3 mm，由于焊接過程中焊縫會向收弧位置進(jìn)行收縮，因此焊接完成后焊口最終會趨于平直（圖7）。

圖7 預(yù)留反變形

2.3.2 選擇合理的焊接順序

以水平固定管道為例，一般采用分段對稱的焊接順序，具體的施焊順序如下（圖8）：

圖8 水平固定管焊接

（1）打底層順序：6點(diǎn)→9點(diǎn)，6點(diǎn)→12點(diǎn)，9點(diǎn)→12點(diǎn)；

（2）填充及蓋面層順序：6點(diǎn)→9點(diǎn)，3點(diǎn)→12點(diǎn)，9點(diǎn)→12點(diǎn)，6點(diǎn)→3點(diǎn)。

2.3.3 優(yōu)化焊道布置

采用多層多道焊，可降低焊接應(yīng)力集中，減少焊接變形。多層多道焊熔池擺動寬度小，熱影響區(qū)小，焊縫高溫停留時間短，防止了焊接接頭過熱，能夠有效改善金相組織，顯著提高焊接金屬的塑性和韌性（圖9）。

圖9 多層多道焊

2.3.4 控制焊接熱輸入

選擇合適的焊接方法匹配對應(yīng)的焊接工藝，合理地使用焊接電流和焊接速度能夠有效控制焊接熱輸入。

（1）合適的焊接方法：盡量使用手工鎢極氬弧焊（TIG），并用搖擺焊的操作方式。鎢極氬弧焊的焊接線能量比焊條電弧焊小很多，搖擺焊的節(jié)奏頻率高，兩者組合能有效控制層間溫度。

（2）較小的焊接電流：根據(jù)現(xiàn)場實際焊接經(jīng)驗，打底層需使用較小的焊接電流，填充層可適當(dāng)加大焊接電流防止層間未熔合，蓋面層較填充層需適當(dāng)減小焊接電流。規(guī)格為273 mm×3.05 mm的不銹鋼管焊接參數(shù)見表1。

表1 薄壁不銹鋼管焊接參數(shù)

（3）較快的焊接速度：不銹鋼管道焊接在不影響焊接質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量使用較快的焊接速度，防止熔池急劇升溫、焊縫局部出現(xiàn)氧化現(xiàn)象。

3 結(jié)論

（1）通過合適的測量工具、準(zhǔn)確的測量方法及適當(dāng)?shù)男弈ゴ胧?，可實現(xiàn)焊口組對的標(biāo)準(zhǔn)要求，有效控制焊接錯邊量。

（2）針對不同的系統(tǒng)條件，建立相應(yīng)類型的合格氬氣室是防止打底層焊縫背部發(fā)渣的有效措施。

（3）將焊前預(yù)留反變形，焊接過程中優(yōu)化焊接順序和焊道布置，控制焊接熱輸入等方法結(jié)合使用，可顯著減少焊接變形和焊接應(yīng)力，獲得優(yōu)質(zhì)的不銹鋼管道對接焊縫。

在役核電廠不銹鋼管道對接焊縫在實際工作中存在諸多技術(shù)難點(diǎn)，需針對具體問題梳理分析制約因素，制定相應(yīng)的處理措施，不斷總結(jié)和固化良好實踐，積累經(jīng)驗。